单框架控制力矩陀螺的奇异分析及操纵律设计

通过对单框架控制力矩陀螺群（SGCMGs）的奇异问题的分析,设计了一种新的伪逆解与零运动向量相结合的操纵律来回避SGCMGs的内部奇异点。首先通过绘制金字塔构型SGCMGs奇异角动量曲面及典型角动量切面对应的奇异度量极值曲面,研究了其奇异的几何特性。然后以缩小期望力矩与各SGCMG角动量的夹角为目的,给出了一种新的零运动向量构造方法用于操纵律的设计。该方法在全局范围内考虑,并未参考当前奇异度量值,故能有效地避免奇异度量局部极值所对应的内部显奇异点。最后将其与现有的几种操纵律进行了数学仿真对比,验证了其有效性及优越性。     

用单框架控制力矩陀螺的大型航天器姿态控制系统实物仿真研究

利用三轴气浮台模拟航天器空间力学环境，进行了单框架控制力矩陀螺(SGCMG)姿态控制／动量管理系统全实物仿真研究。推导了大型航天器姿态控制／动量管理系统数学模型。设计调试了实物仿真系统。研究了单框架控制力矩陀螺奇异回避问题、失效操纵问题和动量管理优化问题。证明了系统构形分析、奇异性分析和操纵律设计的正确性和有效性。通过大型航天器姿态控制／动量管理系统实物仿真，检验了设计方案的可行性和系统硬、软件的可靠性。     

单框架制力矩陀螺系统操纵律研究综述

综述了单框架控制力矩陀螺（ＳＧＣＭＧ）系统操纵律研究概况,并对现存操纵律的性能进行了评价。通过分析可以知道,现存在ＳＧＣＭＧ操纵律或在奇异回避性能方面较差,或由于计算量较大而使得实时性较差等等,从而使其在航天器姿态控制中的应用受到了极大的阻碍。要提高ＳＧＣＭＧ系统的操纵性能,可在以下三个方面作进一步研究：零运动的选择方法、操纵律的闭环实现、框架伺服特性的考虑等。     

采用变速控制力矩陀螺的一种姿态/能量一体化控制研究

本文研究采用变速控制力矩陀螺（VSCMG）的航天器姿态／能量一体化控制技术。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型,并给出了全局稳定的姿态反馈控制律。以控制力矩陀螺群的构型奇异量度为依据,分别考虑了VSCMG的控制力矩陀螺（CMG）工作模式和反作用飞轮（RW）工作模式。在陀螺群接近奇异时启用转子的反作用飞轮工作模式来补偿控制力矩陀螺采用鲁棒伪逆操纵律时所引起的力矩误差;在陀螺群远离奇异状态时,用控制力矩陀螺来补偿转子储能带来的干扰力矩。在姿态控制的同时利用转子的变速特性,完成按照给定的功率存储／释放能量,并在陀螺群远离奇异状态时对储能过程中转子的转速进行调节,以保持良好地动量包络外形。最后以某航天器的姿态控制为例,给出了数值仿真结果。     

使用单框架控制力矩陀螺的空间站姿态控制系统建模与仿真

研究使用单框架控制力矩陀螺群(SGCMGs)的空间站的姿态控制。完成空间站在轨三轴稳定飞行模式下的动力学和执行机构的建模。基于最小二乘意义下的伪逆原理设计了SGCMGs的控制律。对于框架构形的隐奇异,采用零运动躲避的算法。同时建立了框架电机的动力学、干扰和控制器的仿真模型。提出了适合工程应用的SGCMGs构形显奇异和饱和奇异的工程性的判断条件及卸载方法。为了探讨伺服机构对系统响应特性的影响,进行了分系统级的仿真。仿真模型中包括了空间环境力矩、敏感器及姿态确定模型。仿真中使用了五棱锥构形的SGCMGs,这种构形具有好的冗余度和大的角动量包络。仿真结果验证了五棱锥构形SGCMGs对大型航天器的三轴姿态控制的可行性及有效性。     

采用单框架控制力矩陀螺群的卫星侧摆机动控制研究

研究使用单框架控制力矩陀螺群 (SGCMGs)进行卫星姿态侧摆机动控制。研究频繁机动情况下由五棱锥构形和金字塔构形陀螺群进行侧摆机动控制的可行性 ,并探讨陀螺群构形奇异的避免问题。针对不同的陀螺群构形设计了不同的控制律 ,并比较两种构形的控制特性的异同。仿真结果验证了使用SGCMGs实现侧摆机动控制的有效性。     

单框架控制力矩陀螺系统的构形分析

根据构形效率、奇异面的复杂度等指标，针对成对安装和非成对对称安装的几种常见构形，进行了分析评价，认为正十二面体构形是系统运行中的一种较理想的构形，但就研究本身而言，金字塔构形的分析和研究具有一定的代表性，对其它构形的分析和操纵也具有一定的指导意义。     

基于双框架控制力矩陀螺的空间飞行器非线性姿态控制

推导出了双框架控制力矩陀螺系统操纵空间飞行器姿态机动的精确数学模型,并在此基础上基于Lyapunov第二法设计了空间飞行器大角度姿态机动非线性控制律,在设计的同时证明了系统的稳定性.设计了双框架陀螺系统奇异鲁棒+零运动操纵律.给出了双框架控制力矩陀螺系统奇异性定理,对三个双框架陀螺垂直安装及四个双框架陀螺平行安装两种构形方式进行了奇异性分析.分析和仿真验证了三个双框架陀螺垂直安装构形下系统跟踪常值力矩指令和大角度姿态机动的能力.     

采用平行构型变速控制力矩陀螺群的航天器姿态控制

研究了平行构型变速控制力矩陀螺群的控制律及其在航天器姿态控制中的应用。首先建立了以变速控制力矩陀螺为执行机构的航天器姿态动力学模型，并给出了全局渐近稳定的姿态反馈控制律。将每一对框架平行的陀螺作为独立的单元控制，引入了与控制力矩陀螺的框架运动相关的动坐标系，在此基础上给出了控制力矩陀螺的一种控制律。此控制律使陀螺群在奇异状态下仍具有可控性，并且力矩误差在动坐标系的某一方向始终为零，从而利用共轴的构型特点和陀螺转子的可变速性补偿控制力矩陀螺的力矩误差，使变速控制力矩陀螺群的输出力矩与期望的力矩相等。最后以双平行构型为例，对航天器的姿态稳定控制进行了数值仿真，并给出了一种控制力矩的分配方案。仿真结果证明了控制律算法的有效性。     

航天器快速姿态机动的力矩陀螺控制

考虑一类要求快速、连续的姿态机动控制任务，设计了大角度姿态机动的力矩陀螺操纵律。针对陀螺群构型非奇异情况，考虑陀螺框架角速度上限要求，设计了基于∞范数的力矩陀螺操纵律。为了实现快速的姿态机动衔接，提出了基于参考构型的方法，并通过引入零运动实现。设计了力矩陀螺操纵律的求解算法，给出了参考构型法的解析解。仿真结果表明，该操纵律可适用于快速、连续的姿态机动控制。     

一种SGCMG系统奇异逃离方法

单框架控制力矩陀螺 (SGCMG)系统进入奇异后无法提供准确的三轴指令力矩,通过奇异机理分析,设计了一种奇异逃离方案。首先构造新的动态坐标系,在系统进入奇异后,将控制坐标系切换到新的坐标系下,在新的坐标系上放弃一个维度的控制,将系统考虑为平面内的SGCMG冗余控制系统,然后在平面内采用二维零运动使得系统快速逃离奇异状态,当SGCMG系统逃离奇异状态后,再重新接入三维度的控制。仿真结果表明,提出的方法具有很好的奇异逃避效果。     

敏捷SAR卫星平台载荷一体化控制方法研究

面向具备波束指向捷变能力的小型化敏捷合成孔径雷达(SAR)卫星成像需求,提出了通过平台姿态敏捷机动和载荷波束捷变扫描一体化控制实现条带成像、多条带拼接成像、滑动聚束成像等传统成像模式的方法。针对配合成像过程提出的大角度机动和高精度高稳定度连续指向跟踪控制要求,采用5个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成的\"五面锥\"构形控制力矩陀螺群作为执行机构,设计了基于姿态四元数和角速度反馈的改进型递阶饱和控制器,实现了平台的敏捷机动和对目标的稳定跟踪指向。数学仿真结果表明:该控制系统有效可行。     

基于ADRC的挠性多体航天器快速姿态机动研究与应用

为消除飞轮产生力矩小的缺点,以五棱锥构型控制力矩陀螺群作为执行机构,基于自抗扰控制（AD-RC）理论设计了大型挠性多体航天器的自抗扰控制律,以实现航天器的快速机动和高精度稳定控制。仿真结果表明：与普通玻璃积分微分（PID）控制相比,自抗扰控制器的姿态机动时间短,稳定控制精度高。     

考虑力矩陀螺奇异的航天器姿态机动预测控制器设计

针对以单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为姿态控制执行机构的卫星姿态机动任务,将SGCMG框架转速作为姿态控制输入,建立了考虑SGCMG奇异特性的姿态动力学方程;基于操纵律的SGCMG控制方法往往会产生较大的力矩误差且易导致奇异,考虑到优化方法显式表达约束的优势,使用基于优化的非线性模型预测控制方法对需要规避的奇异现象进行了约束,设计了卫星姿态机动预测控制器;最后针对部分SGCMG失效工况进行了预测控制器设计。最终结果表明:针对卫星姿态机动任务设计的新型非线性模型预测控制器(NMPC)具有较强的奇异规避效果,且避免了操纵律中指令力矩与实际输出力矩偏差过大的缺点。     

基于简化FXLMS算法的磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应精确补偿方法实验研究

磁悬浮控制力矩陀螺（MSCMG）是一种用于航天器姿态控制的高精度长寿命惯性执行机 构,动框架效应补偿是MSCMG实现高精度性能的关键技术之一。然而现有的FXLMS补偿算法由 于模型复杂、计算量大而难以实际应用。通过分析MSCMG磁轴承对象特性,提出一种简化FXL MS算法,将对象滤波器简化为常数对角阵,大幅度减少了算法计算量。对简化算法进行了仿 真,并在MSCMG样机上面进行了动框架效应补偿实验。实验结果表明：简化后的自适应控制 系统,收敛性好,跟踪速度快,具有理想的精度和较强的鲁棒性。
     

飞行器再入段最优自适应积分滑模姿态控制

针对飞行器再入段的姿态跟踪控制问题,提出了一种最优自适应积分滑模控制(Optimal Adaptive Integral Sliding Mode Control, OAISMC)方法。首先针对飞行器的标称模型设计了基于状态相依黎卡提方程(State Dependent Riccati Equation, SDRE)的姿态控制器,使标称系统的性能满足提出的最优指标。然后,考虑系统的不确定性和外部干扰,在SDRE标称控制器的基础上设计积分滑模姿态控制方法,使系统在满足性能指标要求的同时,对不确定性和干扰具有鲁棒性。进一步采用自适应方法调整切换增益,避免了对复合干扰上界的先验要求,并引入滑模干扰观测器提高系统的性能。最后,仿真结果表明,在考虑外部干扰以及气动系数和大气密度摄动的情况下,本文设计的控制方法不仅能够实现姿态跟踪、满足设计的性能指标,而且具有较好的鲁棒性。     

磁悬浮飞轮转子系统的快速Terminal滑模控制

针对磁悬浮飞轮(MSFW)高精度控制的要求,提出了磁悬浮飞轮转子的快速Terminal滑模控制(FTSMC)以实现其鲁棒控制。建立了MSFW动力学方程,对MSFW受控自由度引入交叉反馈设计实现了各自由度解耦,分析并选取了三阶非线性微分跟踪器得到所需的微分信号,设计了快速Terminal滑模控制器,并利用Lyapunov函数证明了该控制系统的稳定性。仿真结果表明,与采用普通滑模控制相比,该控制系统具有状态响应快、系统状态在设定时间内迅速收敛以及抖振小等特点。     

基于高斯过程的航天器自适应滑模姿态控制

针对存在模型不确定性和外界干扰的刚性航天器,提出了一种基于高斯过程回归(GPR)的新型自适应滑模姿态控制算法。该算法具有自学习能力,在不同的姿态控制任务下都能够实现高精度、强鲁棒和高效率的姿态跟踪。首先,在航天器的四元数标称系统动态模型基础上,应用在线稀疏高斯过程回归(SOGP)方法学习系统的未知动态;其次,结合高斯过程的预测均值设计滑模控制算法,利用高斯过程的预测方差自适应调节控制增益,并应用李雅普诺夫方法严格证明闭环系统的稳定性,保证了航天器姿态跟踪误差的渐进收敛性;最后,通过数值仿真验证了所设计控制器的有效性。结果表明,该自学习控制算法与自适应滑模控制(ASMC)与神经网络自适应控制等算法相比,具有更快的收敛速度、更高的跟踪精度以及更低的控制成本。     

质量矩导弹固定时间二阶滑模控制方法

针对三轴稳定的双滑块质量矩导弹,基于动态系统零点配置原理提出一种快速固定时间二阶滑模控制方法。首先建立具有完整耦合动力学特征的质量矩导弹姿态动力学模型;其次,基于典型动态系统进行零点配置原理分析和收敛时间估计;在此基础上,提出动态过程可调节的固定时间二阶滑模控制方法,并对系统收敛时间的上界进行估计;最后,针对质量矩导弹的仿真校验了设计方法的有效性。     

一种改进的SGCMGs奇异鲁棒伪逆操纵律算法

以单框架控制力矩陀螺（SGCMG）为卫星动量交换机构,基于建立的姿态控制系统与SGCMG系统的动力学模型,设计零动量卫星的PD（比例微分）解耦姿态控制律。为逃避奇异,提出了一种改进的单框架控制力矩陀螺群（SGCMGs）奇异鲁棒伪逆操纵律算法。某航天器姿态控制仿真结果表明：改进算法可避免奇异,算法有效性得以验证。